编者按
矿山深井建设技术是深地工程领域先进生产力的代表，深立井是开采深部资源的必经途径。近日，陈湘生院士受邀在《煤炭科学技术》撰稿，系统回顾了我国煤炭井工开采领域冻结立井井筒机械化掘进发展历程，包括：冻结井筒钻爆法凿井技术、冻结井筒爆破破岩掘进技术、机械破岩钻井法凿井发展及应用、竖井掘进机钻井法凿井、冻结+竖井掘进机凿井法设计思路等。成果于近日以《冻结立井井筒机械化掘进现状及发展趋势》为题网络首发(点击文末“阅读原文”或识别二维码下载）。
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https://www.chinacaj.net/MTKJ/502068
钻爆法凿井作为我国立井井筒施工的主要工法，炸药的应用大幅提高了冻结井筒的掘进效率，配套的伞钻打孔、抓岩机装岩、大型井架及设备提升、大模板砌壁等大型机械化设备的应用，大幅提高了井筒成井速度。
竖井钻机、反井钻机及竖井掘进机作为特殊地层条件下立井井筒特殊凿井方式，也有各自应用范围。面对我国西部富水弱胶结地层特点及智慧矿山发展趋势，采用冻结+钻爆法施工难以满足千米级弱胶结岩层立井井筒智能化、无人化的建设需求，而采用冻结+竖井掘进机钻井是未来超深立井井筒技术发展方向之一。
研究最后，结合国外冻结+竖井掘进机凿井工程案例，针对我国西部富水弱胶结岩层立井井筒建设，研究给出了我国西部弱胶结岩层条件下采用冻结+竖井掘进机开拓方式时相关设计的建议。
01
西部弱胶结富水地层采用冻结法施工是当前立井井筒开拓主要的辅助工法，安全性高、成本可控，当前冻结井壁设计是基于东部冲积层立井井筒设计经验，深部井壁厚度往往超过2m，目前通常采用高性能高强度混凝土并提高配筋率来提高井壁强度实现井壁减薄，但忽视了井壁结构与围岩之间相互作用形式与荷载计算方式，没有从井壁结构受力机理上取得突破，应进一步研究壁间注浆对双层井壁受力结构的影响方式和影响程度，以大量的现场监测数据和模型试验数据作为依托，调整井壁结构计算参数取值，实现井壁材料和作用荷载双向调整，确定合理的井壁计算方法。
02
机械化、智能化凿井方式是矿山领域井筒开拓及巷道掘进的发展趋势，以白垩系、侏罗系为代表的西部弱胶结岩层岩石强度低，但不同岩性地层强度差异较大，且该地层易扰动弱化、暴露风化、水解泥化特性决定了采用竖井钻机、TBM、竖井掘进机进行破岩的难题之一在于解决“泥包钻”问题。同时千米级立井井筒掘砌采用上排渣形式时，工作面至地面的多级排渣形式以及提升能力也是大型设备掘砌的难题。
03
截至2023年6月底，国家首批智能化示范煤矿有50座井筒煤矿通过专家验收，其中井工煤矿有22座达到Ⅰ类中级智能化，26座达到Ⅱ类中级智能化，2座达到Ⅱ类初级智能化。当前的煤矿智能化建设总体程度不高，多集中于井下开采阶段；地面的智能化系统多侧重于监测监控、信息收集，而后台数据处理、信息反馈及系统自动调控程度不够高，这是制约智慧化矿山建设的重要因素。在智能化矿山大背景下，需要多个行业共同协作，从数据库建设、信息收集及处理、系统自动调控、设备材料、方案设计等诸多方面进行匹配，共同推进矿山智能化建设。
这项研究得到了国家自然科学基金重大项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年基金的资金支持。
通讯作者为煤炭科学研究总院王恒副研究员。
陈湘生，王恒，宋朝阳，等. 冻结立井井筒机械化掘进现状及发展趋势[J/OL]. 煤炭科学技术：1-18[2024-08-06]. DOI：10.12438/cst.2024-0327.
CHEN Xiangsheng，WANG Heng，SONG Chaoyang,et al.Current situation and development trend of mechanized shaft driving in frozen shaft[J/OL]. Coal Science and Technoplogy：1-18[2024-08-06]. DOI：10.12438/cst.2024-0327.
部分图表
表1 1955～2019年我国冻结施工的部分立井井筒
图2 机械破岩钻井法凿井技术分类
图7 “蜀畅号”竖井掘进机
文章目录
0 引言
1 冻结井筒钻爆法凿井技术
1.1 冻结壁与冻结井壁设计发展简述
1.1.1 冻结壁设计理论的演变
1.1.2 冻结井壁结构设计
1.2 冻结井筒爆破破岩掘进技术发展简述
1.2.1 冻结井筒爆破破岩掘进技术
1.2.2 井底工作面装岩技术发展
1.2.3. 工作面岩渣提升技术
1.2.4 冻结井筒井壁施工技术
1.3 冻结钻爆法凿井存在的问题及挑战
2 机械破岩钻井法凿井发展及应用
2.1 竖井钻机钻井法凿井技术
2.2 反井钻机钻井法凿井技术
2.3 竖井掘进机钻井法凿井技术
2.4 冻-注-钻综合特殊凿井技术及应用
3 竖井掘进机钻井法凿井应用现状
3.1 国内竖井掘进机凿井工程案例
3.2 国外冻结+竖井掘进机施工案例
4 冻结+竖井掘进机凿井法设计思路
4.1 井筒冻结方案设计
4.1.1 冻结壁设计思路
4.1.2 冻结井壁设计思路
4.2 竖井掘进机装备设计方案
4.2.1 掘进系统设计思路
4.2.2 排渣系统设计思路
5 结语
责任编辑 | 朱恩光
设 计 | 李 莎
审 核 | 常 琛
